Вивчення мікроструктури вуглецевих сталей та чавунів

Мета роботи

1 Вивчити мікроструктуру вуглецевих сталей та чавунів (білого, сірого, кувального та високоміцного) у зрівноваженому стані.

2 Встановити зв'язок між структурою і властивостями відповідно вуглецевих сталей та чавунів.

3 Ознайомитися з класифікацією вуглецевих сталей та чавунів і застосуванням їх у народному господарстві

Теоретичні відомості

Сталлю називається сплав заліза з вуглецем (до 2,14 % С). Залежно від вмісту вуглецю в сталях, вони розділяються за структурою на три групи: доевтектоїдні (від 0,02 до 0,83 % С), евтектоїдні (0,83 % С) і заевтектоїдні (від 0,8З до 2,14 % С). При нормальній температурі мікроструктура доевтектоїдної сталі представляє собою суміш зерен фериту і перліту. Мікроструктура евтектоїдної сталі складається із зерен одного перліту. Мікроструктура заевтектоїдної сталі представляє собою суміш зерен перліту і вторинного цементиту.

Феритом є твердий розчин впровадження вуглецю в -залізі. Розчинність вуглецю в - залізі різна і залежить від температури. При нормальній температурі ця розчинність не перевищує 0,002 %. А при температурі 723 °С – досягає 0,02 %. Під мікроскопом ферит в технічно чистому залізі і вуглецевих сталях має вид різних за величиною світлих однорідних зерен з добре помітними межами. Ферит володіє високою пластичністю ( 30 %) і є найм’якішою структурною складовою залізовуглецевих сплавів (НВ800 МПа).

Цементит є хімічною сполукою заліза з вуглецем (карбід заліза Fe₃C), що містить 6,67 % С. У вуглецевих сталях цементит утворюється у вигляді пластинок або сітки. Під мікроскопом має світлий вигляд і є найкрихкішою і найтвердішою (НВ8000 МПа) структурною складовою залізовуглецевих сплавів.

Перліт (евтектоїд) є механічною сумішшю фериту і цементиту. Під мікроскопом перліт у вуглецевих сталях має вид темних ділянок неоднорідної будови. Він має високу твердість (НВ2000 МПа) і низьку пластичність ( 10 %).

Знаючи, вміст вуглецю в структурних складових сталі і площу, що вони займають, можна з достатньо високою точністю визначити вміст вуглецю у вуглецевих сталях.

Оскільки в доевтектоїдних сталях у фериті розчинена дуже невелика кількість вуглецю (0,02 % С):

(4.1)

де F_n – площа, яку займає перліт, %.

У евтектоїдних сталях, що мають структуру перліту, вміст вуглецю рівний 0,83 %.

У заевтектоїдних сталях, що мають перлітно-цементитну струк-туру, вміст вуглецю визначається:

(4.2)

де F_ц – площа, яку займає цементит, %.

Вуглецеві сталі класифікуються за різними ознаками, зокрема за:

а) будовою (доевтектоїдні, евтектоїдні і заевтектоїдні сталі);

б) вмістом вуглецю (низько-вуглецеві, середньо-вуглецеві і високо-вуглецеві сталі);

в) призначенням (конструкційні, інструментальні);

г) якістю (звичайні, якісні і високоякісні сталі);

д) способом виробництва (киснево-конвертерні, мартенівські, такі, що виплавляються в електропечах);

е) ступенем розкислювання (спокійні, напівспокійні, киплячі).

У свою чергу, вуглецеві конструкційні сталі підрозділяються: на сталі звичайної якості і якісні. Сталі звичайної якості маркуються буквами Ст і порядковим номером від 0 до 7, наприклад, сталь Ст1, сталь Ст2, сталь Ст5. Залежно від якостей, що гарантуються, вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості розділяються на три групи: А, Б, В. Сталі групи "А" поставляються з гарантованими механічними властивостями. Вони не піддаються гарячій обробці і позначаються таким чином: сталь Ст3, сталь Ст4. Сталі групи "Б" поставляються з хімічним складом, що гарантується. Вони призначені для виробів, які при виготовленні піддаються гарячій обробці. Їх позначення: сталь БСт3, сталь БСт4. Сталі групи "В" поставляються з гарантованими механічними властивостями і хімічним складом. Вони призначені для виготовлення виробів, що знаходяться як в холодному, так і гарячому стані. Їх позначення: сталь ВСт3, сталь ВСт4.

Для позначення ступеню розкислювання до позначення марки сталі після номера додають індекси "сп" – спокійна, "пс" – напівспокійна, "кп" – кипляча, наприклад, сталь Ст3, сталь Ст3 пс, сталь Ст4 кп.

Конструкційні сталі звичайної якості характеризуються високим вмістом шкідливих домішок (до 0,05 % S і 0,04...0,07 % Р). Ці сталі випускаються у вигляді листового та сортового прокату. Вони призначені для виготовлення будівельних конструкцій, арматури, деталей кріплення, деталей машин, що не несуть підвищених навантажень.

Конструкційні якісні сталі маркуються двозначними цифрами, які вказують на середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Наприклад, сталь 45 містить приблизно 0,45 % С. Конструкційні якісні сталі містять не більше 0,04 % сірки і фосфору. З них виготовляються відповідальні деталі машин і механізмів, поковки, штампування і т.п. Залежно від вмісту марганцю конструкційні якісні сталі випускають двох груп: а) з нормальним вмістом марганцю (позначаються: сталь 10, сталь 35); б) з підвищеним вмістом марганцю (близько 1,0 % Mn ). Вони позначаються : сталь 10Г , сталь 35Г.

Вуглецеві інструментальні сталі за якістю підрозділяються на якісні і високоякісні. Ці сталі маркуються буквою "У" і цифрами, які вказують середній вміст вуглецю в десятих долях відсотка. Наприклад, сталь У8, сталь У10. Якщо в позначення марки сталі вводиться буква "А", наприклад сталь У13а, це означає, що сталь – високоякісна. Інструментальні високоякісні сталі відрізняються від якісних меншим вмістом сірки (до 0,02 % S) і фосфору (до 0,02 % Р). Із інструментальних сталей виготовляють зубила, молотки, штампи, інструмент для обробки деревини, мітчики, ножівочні полотна, напилки та ін.

Чавун це сплав системи залізо - вуглець, де вміст вуглецю – від 2,14 до 6,67 %. Чавуни класифікуються за наступними ознаками:

1) за призначенням – переробні (йдуть на переробку у сталь) і ливарні (для виготовлення різноманітних відливок);

2) за ступенем графітизації – білі (увесь вуглець у зв'язаному стані у вигляді цементиту Fe₃C), сірі (значна частина вуглецю знаходиться у вільному стані у вигляді графіту) і половинчасті (вуглець частково зв'язаний в Fe₃С, частково виділений у виді графіту);

3) за формою графітових включень – сірі (пластинчасті), кувальні (у вигляді пластівців) та високоміцні чавуни (кулястої форми);

4) за структурою металевої основи – феритні, феритно-перлітні, перлітні та перлітно-цементитні;

5) за хімічним складом – нелеговані, низько -, середньо - та високолеговані чавуни, що містять відповідно 0,3...0,35 %, 7...10 % і більше 10 % легуючих елементів.

На відміну від сталей хімічний склад чавунів ще не характеризує достатньо надійно його властивості. Структура чавуну і його основні властивості залежать як від хімічного складу, так і від технологічного процесу його виробництва та режиму термічної обробки.

Білий чавун – це сплав, в структурі якого вуглець присутній тільки у вигляді цементиту Fе₃С. За структурою він поділяється на доевтектичний, евтектичний і заевтектичний. Згідно діаграмі залізо-цементит структура доевтектичного чавуну складається з перліту, вторинного цементиту і ледебуриту. Структура евтектичного чавуну складається з одного ледебуриту. Структура ж заевтектичного чавуну – з ледебуриту і первинного цементиту, що виділяється у вигляді крупних пластинок.

Наявність в білих чавунах великої кількості цементиту (НВ800 МПа) обумовлює його високу крихкість, дуже погану оброблюваність різанням, а отже, і обмеженим застосуванням. Його в основному перероблюють у сталь, застосовують в якості ливарного матеріалу з доброю стійкістю в умовах абразивного зношування, при допомозі термообробки трансформують у кувальний чавун.

Сірим чавуном є сплав в системі Fe-С-Si з неминучими домішками Мn, S і Р. Вміст вуглецю в ньому коливається в межах 2,4-3,8 %. Кремній (1,2-3,5 %) вводять спеціально: він прискорює графітизацію, створює значний вплив на структуру і властивості чавуну. Сірий чавун володіє високими ливарними властивостями: порівняно низькою температурою плавлення, хорошою текучістю та ін. Технологічність при литті і такі специфічні властивості чавунних відливок, як здатність поглинати вібрації, мала чутливість до різних концентрацій напружень, достатньо високий опір руйнуванню під дією стискуючих навантажень, забезпечує широке застосування сірого чавуну для одержання самих різноманітних відливок: від художнього лиття до масивних станин потужних верстатів.

Пластини графіту в сірому чавуні порушують суцільність металевої основи і представляють собою начебто тріщини, заповнені графітом. Чим більше графіту і чим крупніші його включення, тим гірші механічні властивості: знижується пластичність при розтягуванні ( 0,5 %), злам стає крупнозернистим.

Подрібнення графітних включень, збільшення ступеня ізольованості їх один від одного підвищує міцність чавуну. Це досягається введенням спеціальних модифікаторів: феросиліцію, силіційокальцію і ін.

Залежно від будови металевої основи твердість сірих чавунів міняється і може бути НВ1430 - 5200 МПа. Відповідно змінюється і міцність: чим більше фериту, тим нижче міцність і зносостійкість. Найбільш міцні перлітні чавуни застосовують для відповідальних відливок(станини потужних верстатів, блоків двигунів, дизельних циліндрів тощо). Феритні і феритно-перлітні чавуни застосовують для виготовлення маловідповідальних та малонавантажених деталей (фундаментні плити, корпуси редукторів і насосів та ін.).

Сірі чавуни маркуються буквами СЧ (сірий чавун) і цифрами, що показують найменший часовий опір розриву при розтягуванні (кГ/мм²). Наприклад, чавун марки СЧ12 має > 12 кГ/мм², тобто 120 МПа. Для одержання чавуну стандартних марок регулюють хімічний склад, умови охолодження і інші фактори. Відливки із сірого чавуну широко застосовують в машинобудуванні: для станин металорізальних верстатів, маховиків, корпусів, поршневих кілець, головок блоків двигунів, поршнем, гільз автомобільних і тракторних двигунів, рам і і інших деталей.

При виплавці чавуну з присадкою невеликої кількості магнію (0,01-0,03 %) або інших модифікаторів графіт у чавуні набуває кулястої форми. Він значно менше послаблює металеву основу, чим пластинчастий. Такі чавуни називаються високоміцними. Вони мають високі механічні властивості, здатність гасити вібрації, добре обробляються різанням, зносостійкі, мають хороші ливарні властивості і ін. Будова металевої основи їх може бути такою ж, як у сірих чавунів.

З високоміцних чавунів виготовляють устаткування прокатних станів (прокатні валки масою до 12 т), ковальсько-пресове обладнання та багато інших відповідальних деталей.

Високоміцні чавуни маркуються буквами ВЧ (високоміцний чавун) і цифрами, що зазначають його основні механічні властивості: найменша межа міцності при випробуванні на розтягування. Наприклад, високоміцний чавун Вч45-6 має > 45 кГ/мм² і 6 %.

Якщо відливки з білого чавуну піддати відпалу, то цементит розпадається і графіт набуває пластівчастої форми. Такий чавун називається кувальним. Залежно від будови металевої основи кувальні чавуни бувають феритними і феритно-перлітними. Вони мають більш значне відносне видовження. Тому їх і називають кувальними, хоча кувати їх не можна. Вплив пластівчастого графіту на механічні властивості чавуну приблизно такий же, як і кулястого.

З феритних кувальних чавунів виготовляють вироби, що працюють як при високих статичних та динамічних навантаженнях (задні мости, маточини коліс), так і менш відповідальні деталі (гайки, фланці муфт, хомути). З феритно-перлітного кувального чавуну виготовляють вилки карданних валів, ланки і рамки ланцюгів конвеєрів, втулки.

Маркується кувальний чавун буквами КЧ (кувальний чавун) і цифрами, що вказують основні механічні властивості: найменша межа міцності при випробуванні на розтягування і відносне видовження. Наприклад, чавун Кч35-10 має > 35 кГ/мм² і 10 %.

Послідовність виконання роботи

1 Ознайомитись з методикою вивчення мікроструктури вуглецевих сталей та чавунів у зрівноваженому стані.

2 Підготувати протравлені мікрошліфи зразків сталей та чавунів, для чого:

1) за допомогою крупнозернистого абразивного матеріалу (карбід кремнію, карбід бору і ін.) відшліфувати (вирівняти поверхню) зразок;

2) виконати полірування зразка до дзеркального блиску мілко-дисперсним абразивним матеріалом (окис хрому, алмазні пасти тощо);

3) протравити зразок нанесенням на його поверхню хімічних розчинів кислот або лугів.

3 Під мікроскопом вивчити мікроструктури сталей і замалювати їх. Використовуючи альбом мікроструктур з фотографіями вуглецевих сталей, встановити вид структури виданих викладачем комплекту зразків (6 шт.).

4 За площею, що займають структурні складові (перліту і цементиту) сталей, визначити орієнтовний вміст в них вуглецю.

5 За вмістом вуглецю у досліджуваних зразках орієнтовно намітити марку сталі.

6 За будовою основи чавуну визначити приблизний вміст зв'я-заного вуглецю і за формою графітних включень марку цього чавуну.

Устаткування, матеріали, інструменти

1 Металографічний мікроскоп.

2 Альбом з фотографіями мікроструктур вуглецевих сталей та чавунів.

3 Набір підготовлених зразків мікрошліфів вуглецевих сталей та чавунів.

4 Схема зарисовок структурних складових сталей та чавунів.

Зміст звіту

1 Найменування та мета роботи.

2 Схеми зарисовок мікроструктур сталей, що вивчаються, із зазначенням розташування структурних складових та їх описом.

3 Визначення приблизного вмісту вуглецю в сталях, що вивчаються, та механічні властивості за наступною формою:

№ зра-зка

Кількість структурних складових, %

Приблизний вміст вуглецю, %

Орієн-товна марка сталі

Хімічний склад, %

Механічні властивості

Ф

П

Ц

С

Si

Mn

S

P

, МПа

, %

ψ, %

HB, МПа

не більше

4 Зарисовки мікроструктур білого, сірого, ковкого і високоміцного чавунів у зрівноваженому стані до та після травлення із зазначенням структурних складових і описом цих структур.

5 Марки чавунів, їх хімічний склад і вплив форми графітних включень і будови основи чавуну на його механічні властивості у наступній таблиці:

№ зразка

Форма графіт- них вклю-чень

Будова основи

Орієн-товна марка чавуну

Хімічний склад, %

Механічні властивості

C

Si

Mn

Mg

S

P

, МПа

, %

ψ, %

HB, МПа

не більше